Во всем мире стремятся уменьшить габариты изделий из оптоволокна, чтобы можно было располагать их даже в труднодоступных местах, и при этом сохранить их защиту от агрессивных условий, например, погодных или производственных факторов – дождь, влажность, сухость, повышенные температуры и т.д.

Ученые Пермского Политеха провели исследования в два этапа. На первом –изучили поведение стекла во время технического процесса. Этот материал – аморфный, то есть не имеет явного перехода из твёрдого состояния в жидкое. Чаще всего при моделировании учитывают только упругие свойства стекла, но итоговые результаты недостаточно верно отражают его характер в реальности. Политехники предлагают рассчитывать изменение материала с учетом вязкоупругих свойств, что точнее и максимально приближенно к настоящему производству.

— Время и температура в техническом процессе влияют на уровень остаточных технологических напряжений в материале. Чем их больше, тем лучше передача сигнала по оптоволокну, поэтому важно моделировать и отслеживать этот этап изготовления, — поясняет кандидат технических наук, заместитель директора Передовой инженерной школы Анна Каменских.

При этом работа волокна зависит не только от стеклянных составляющих, но и от полимерного покрытия. Его наносят на изделие для защиты от внешних агрессивных воздействий. Поскольку само волокно достаточно тонкое (измеряется микронами), ученые предложили уменьшать толщину покрытия, тем самым минимизировать общие габариты готового изделия.

На втором этапе исследования политехники оценили рабочие характеристики оптоволокна при двухслойном и однослойном полимерном защитном покрытии и разных вариантах его геометрии.

— Мы рассматриваем два возможных направления развития: первое – уменьшение общей толщины покрытия без потери прочностных и защитных характеристик; второе – это переход к однослойному покрытию, также с возможным снижением толщины. Главная задача – уменьшить общий итоговый габарит оптоволокна с увеличением его способности сопротивляться негативным воздействиям и нагрузкам, — комментирует полученные результаты ассистент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Анастасия Богданова.

— Результаты исследования показали, что при двух слоях с уменьшением общей толщины покрытия возникают проблемы – нижний слой начинает давить на стекло, что в итоге может приводить к сбоям передачи информации. В однослойном полимерном покрытии волокно не теряет свою пропускную способность, при этом покрытие позволяет защитить изделие от внешних воздействий. Такой вариант показал свою эффективность, — дополняет старший преподаватель кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Ляйсан Сахабутдинова.

Ученые ПНИПУ определили, что переход к однослойным защитным полимерным покрытиям – это эффективный способ уменьшить размеры оптоволокна без потери его качества.  Минимизация толщины повысит надежность и экономичность различных датчиков. Выявление нарушений во время мониторинга состояния зданий, мостов, рабочих механизмов различных конструкций станет более эффективным в труднодоступных местах за счет уменьшения габаритов изделий, что позволит своевременно принимать меры по обеспечению безопасности и требуемой надежности объектов исследования.

Основная проблема существующих преобразователей — в их низком КПД. Цифровой двойник позволяет смоделировать различные параметры работы устройства и за счет этого повысить эффективность.

Благодаря двойнику мы можем получить целый спектр оптимальных настроек системы: электрическую и оптическую мощность, выходное напряжение и ток нагрузки для максимизации КПД преобразователя.

— Алексей Гаркушин. Научный сотрудник кафедры общей физики Пермского политеха.

По словам ученых, с помощью цифрового двойника можно рассчитать рабочие характеристики и срок эксплуатации каждого важного элемента системы. Например, оценить влияние на них влажности и температуры — и перенастроить режим работы.

В перспективе создание цифрового двойника позволит улучшить качество электроснабжения удаленных объектов, а также сократит сроки и затраты на разработку технических решений, связанных с передачей данных и энергии по оптоволоконным линиям.

Больше новостей об энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/news/

Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника» №75, 2023 год. Результаты получены при выполнении государственного задания Минобрнауки РФ на выполнение фундаментальных научных исследований (проект № FSNM-2023-0006).

Композиционные материалы состоят из двух или более различных компонентов, которые при объединении образуют совершенно новый материал с уникальными свойствами. Они используются практически во всех отраслях промышленности для изготовления корпусов самолетов, рулей, деталей кузова, медицинских протезов, оконных рам, различных покрытий. При производстве композита в него можно внедрить волоконно-оптические датчики и так контролировать весь процесс изготовления изделия, отслеживать малейшие внутренние нарушения.

Контроль технологических деформаций в материале повысит качество изготовления композитных изделий и снизит вероятность дефектообразования. Сейчас вопрос такого внедрения оптоволокна рассматривается лишь на уровне лабораторных исследований. Ученые ПНИПУ предложили регистрировать технологические деформации в материале с помощью внедренных в его структуру датчиков на основе волоконных брэгговских решеток.

В основе работы таких приборов лежит распространяющаяся световая волна. Ее свойства изменяются вместе с измеряемой физической величиной. Брэгговские решетки находятся в сердцевине оптоволокна. Они отражают световой сигнал, длина волны которого смещается вместе с изменением температуры, напряжения или деформации. Измерение этой зависимости позволит регистрировать нарушения внутри изделия.

Важный аспект изготовления композита – контроль его напряжений, из-за которых образуются деформации. Волоконно-оптические датчики, внедренные в структуру композита, могут зафиксировать возникающие напряжения в полимерной матрице (основе композита) за счет своих малых габаритов и высокой чувствительности.

Политехники фиксировали технологические деформации с помощью устройства интеррогатора. Он генерирует и передает по оптическому волокну световой сигнал. В ходе эксперимента в композиционный материал на глубину 15 мм ученые внедрили два датчика: для контроля температуры и деформаций.

– В результате мы зафиксировали нарушения на уровне 0,10073 и 0,07156%, что может существенно повлиять на образование пор, расслоений и других дефектов в материале. Это малые деформации, однако даже они могут привести к тому, что деталь будет создана или с браком, или сломается в процессе эксплуатации, – объясняет кандидат технических наук, директор Молодежного проектно-технологического бюро Передовой инженерной школы ПНИПУ Глеб Шипунов.

Исследования, проведенные учеными Пермского Политеха, доказали, что волоконно-оптические датчики позволяют с высокой точностью контролировать технологические напряжения и деформации, возникающие в процессе изготовления изделий из полимерных композиционных материалов. Реализованная идея уникальна, с применением такой технологии на производстве контролировать нарушения в композитах будет проще и эффективнее.